conception d'une éolienne

Il est très important de prendre en considération la résistance, le comportement dynamique et les propriétés de fatigue tant des matériaux utilisés que de la structure entière.

Les éolienne sont faites pour capter l'énergie cinétique du vent, cette puissance dépend essentiellement de la vitesse du vent, les éoliennes doivent donc être conçues pour pouvoir résister à des vent extrêmes. C'est pour cette raison que les constructeurs d'aérogénérateurs optent généralement pour un nombre limité de pales (en général 3) et très fines, ce qui permet aux éoliennes de fonctionner avec des vitesses de vent relativement élevées et compenser ainsi l'étroitesse des pales.

La vitesse variable du vent expose les éoliennes à des forces variables, les composants comme les pales du rotor sons soumis à des flexion répétées qui peuvent engendrer des fissures et peuvent mener à terme à la destruction des pales. Quand elle tourne face au vent, l'éolienne agit comme un gyroscope, et la précession essaie de faire faire volte-face en avant ou en arrière à la turbine. Chaque pale est soumise à une force de précession maximale lorsqu'elle est verticale et minimale lorsqu'elle est horizontale. Ces changements cycliques de pression sur les pales peuvent vite fatiguer et casser la base des pales ou fausser l'axe de la turbine.

Le métal est particulièrement exposé à ces fatigues, c'est pour cela qu'on évite de construire des pales en métal. Il est donc extrêmement important pour la construction d'une éolienne de déterminer à l'avance la façon dont les composants vibreront et de calculer les forces impliquées dans chaque flexion ou étirement d'un composant suivant des modèles mathématiques numériques permettant d'analyser le comportement de l'ensemble de la structure d'une éolienne.

Si l'on prend l'exemple d'une tour qui oscille a une certaine fréquence, cette fréquence dépendra de plusieurs paramètres comme la hauteur de la tour, l'épaisseur des parois, le type d'acier qui la compose ou encore le poids de la nacelle et du rotor. Cette fréquence dépendra aussi du passage du rotor devant la tour (zone d'ombre) ce qui aura pour effet soit d'atténuer soit de renforcer les oscillations de la tour, les vibrations des pales pourront aussi avoir une influence sur l'oscillation de la tour. Il sera très important de prendre en considération toutes les fréquences propres de chacun des composants afin de construire une éolienne sûre, qui n'oscillera pas de manière incontrôlée.

C'est la poussée horizontale maximale exercée au sommet de l'éolienne par l'effet du vent sur le rotor, cette poussée augmente en fonction de la surface balayée par le rotor. C'est une donnée importante qu'il faudra prendre en compte au moment de choisir la structure, le système de haubanage et la conception des ancrages de la tour.

Ce sont les aéromoteurs les plus répandus, toutes les éoliennes commerciales raccordées au réseau sont aujourd'hui construites avec un rotor du type hélice, monté sur un axe horizontal, ils offrent le meilleur rendement par rapport à l'énergie maximum récupérable sur un rotor.

Ce sont les machines actuellement les plus répandues car leur rendement est supérieur à celui de toutes les autres machines. Elles comprennent des rotors à 1,2,3 ou 4 pales.

Parmi les machines à axe horizontal parallèle à la direction du vent, il faut encore différencier les aéromoteurs dont le rotor est en aval de la machine par rapport au vent, ”hélice sous le vent” et les aéromoteurs dont le rotor est en amont de la machine par rapport au vent, ”hélice face au vent”

Les éoliennes de pompage équipées de pompes à piston sont munies d'aéromoteurs multipales en raison du couple de démarrage élevé nécessaire au fonctionnement de la pompe, il est possible de coupler des aéromoteurs bi ou tripales à des pompes centrifuges à plusieurs étages dont le couple de démarrage est plus faible que celui des pompes à piston. Ces équipements constituent un progrès important pour le pompage à de plus grandes profondeurs et fonctionnement continu pour toutes les vitesses de vent supérieures à la vitesse de démarrage.

Les aérogénérateurs sont généralement équipes d'hélices bipales ou tripales “au vent” pour des diamètres inférieurs à 5-7 m et une hélice “sous le vent” pour des diamètres supérieurs à 5-7m. Les grandes machines de dernière génération fonctionnent “au vent” avec une orientation dynamique (sans gouvernail).

Les deux principaux aéromoteurs à axe horizontal perpendiculaire à la direction du vent sont le rotor de Savonius et le capteur à ailes battantes.

Ces systèmes sont restés à l'état de prototypes car ils présentent plus d'inconvénients que d'avantages, ils nécessitent tout comme les systèmes à axe horizontal parallèle au vent un dispositif d'orientation. La récupération de l'énergie produite est plus compliquée et se traduit par une perte sensible du rendement global.

On distingue 3 grandes familles d'aéromoteurs à axe vertical :

• Les aéromoteurs dérivés du rotor de Savonius
• Les aéromoteurs dérivés du rotor de Darrieus
• Les aéromoteurs dérivés des machines à clapets ou ailes battantes

source wikipédia à compléter

Rotor de Savonius

Ces sont des aéromoteurs qui utilisent essentiellement la traînée différentielle créée par les aubes et peuvent avoir différentes formes. Constitué schématiquement de deux ou plusieurs godets demi-cylindriques légèrement désaxés présente un grand nombre d'avantages. Outre son faible encombrement, qui permet d’intégrer l’éolienne aux bâtiments sans en dénaturer l’esthétique, il est peu bruyant. Il démarre à de faibles vitesses de vent et présente un couple élevé quoique variant de façon sinusoïdale au cours de la rotation. Une déclinaison de ce type d'éolienne est le Moulinet dont l’anémomètre constitue une bonne illustration. Citons aussi les modèles à écran où on masque le côté « contre-productif » de l’engin. Ce modèle utilise un système d’orientation de l’écran par rapport au vent, supprimant de fait un avantage essentiel des éoliennes à axe vertical. Ajoutons finalement que l’accroissement important de la masse en fonction de la dimension rend l’éolienne de type Savonius peu adaptée à la production de masse dans un parc éolien.

Éolienne de type Darrieus à rotor parabolique, Parc Éole, Canada.

Les rotors Darrieus utilisent la portance des pales subi par un profil soumis à l’action d'un vent relatif (plusieurs configurations possibles 2,3… pales) effet qui s'exerce sur l'aile d'un avion. Ils sont caractérisés par un faible couple de démarrage et une vitesse de rotation élevée, donc une grande puissance récupérable. Pour améliorer le couple de démarrage on les associe à un autre type de rotor (Savonius par exemple), ce qui en diminue les autres propriétés (légèreté, vitesse maximum, cout…). Malgré ces avantages, ces machines restent difficiles à maitriser.

On distingue plusieurs déclinaisons autour de ce principe :

• simple rotor cylindrique - deux profils disposés de part et d'autre de l'axe
• rotor parabolique où les profils sont recourbés en troposkine et fixés au sommet et à la base de l'axe vertical.
• rotor hélicoïdale
• rotor Darrieus H
• statoéolienne - un stator fixe qui canalise de manière optimale le vent sur un rotor mobile

Une éolienne de ce type a fonctionné au Canada (au Parc Éole) de 1983 à 1992. De grandes dimensions (110 m de haut), le prototype s'est détérioré lors d'un coup de vent, il était conçu pour fournir 4 MW avec un générateur au sol. Ces éoliennes de type Darrieus, de plus petites dimensions, sont à la base du projet Wind'It (superposition d'un réseau d’éoliennes au réseau existant de transport et de distribution).

Une éolienne Darrieus à axe horizontal a été installée à Equihen (France). C'est une éolienne urbaine constituée de 2 rotors de 5 m de long et 2,8 m de diamètre maximal.

• de conception plus simple que les machines à axe horizontal
• facilité d’accès (ne nécessite pas de nacelle et la génératrice, le multiplicateur etc. peuvent être place au sol)
• les aéromoteurs à axe vertical ne nécessitent pas de système d'orientation par rapport à la direction du vent, ce qui constitue un avantage de construction non négligeable
• en fonctionnement elle ne sont pas soumises aux contraintes importantes sur les pales, les roulements et les axes dues aux changements d'orientation

• légèreté
• vitesse de rotation lente (bruit très faible)
• structure peu élevée
• bonne intégration au bâtiment
• installation facile (poser la structure sur des plots en béton installés sur une toiture plane de type immeuble)

• elles offrent un rendement médiocre (20% de la limite de Betz pour le rotor de Savonius) et c'est pour cette raison qu'elles n'ont pas connu un grand développement.
• le rotor se situe en général très prés du sol, les vent sont donc très faibles dans la partie inférieure du rotor
• l'éolienne ne démarre pas automatiquement, il faut utiliser la génératrice comme moteur pour permettre le démarrage de l'éolienne
• l'utilisation de haubans augmente fortement la surface utilisée par l'éolienne
• il faut pratiquer un démontage complet de l'éolienne pour procéder au remplacement du palier principal du rotor
• pas de système d'orientation au vent (pour l'éolienne Darrieus à axe horizontal)

Une éolienne face au vent signifie que le rotor est orienté dans la direction du vent et est placé en amont de la tour, la grande majorité des éoliennes sont conçues de cette façon.

• Évite que l'abri créé derrière le pylône support n'influence le fonctionnement du rotor

• Il persiste un effet d'abri situé devant la tour (le vent est dévié avant d'atteindre la tour) même lorsque celle-ci est ronde et lisse, à chaque passage d'une pale devant la tour on constatera une diminution de la production de l'éolienne.
• Les pales du rotor doivent être non flexible (collision avec la tour en cas de vent fort)
• Le rotor doit être placé à une bonne distance de la tour
• Il est primordial de munir une éolienne face au vent d'un mécanisme d'orientation de manière à maintenir le rotor dans la direction du vent

Dans le cas des éoliennes sous le vent, le rotor est placé en aval de la tour.

• théoriquement la machine ne nécessite pas de mécanisme d'orientation (si la nacelle et le rotor ont été conçus de telle manière à ce que la nacelle puisse s'orienter passivement dans la direction du vent)
• possibilité d'utiliser un rotor moins rigide : poids moins important et une meilleure dynamique du rotor
• la flexibilité des pales évitent une partie de la charge subie par la structure à des vitesses de vent élevées
• possibilité d'alléger la structure

• difficile d'assurer la detorsion des câbles si l'éolienne s'est orientée dans la même direction pendant une longue période
• augmentation des charges de fatigue au passage du rotor dans l'abri du pylône
• variation de la production d'électricité au passage du rotor dans l'abri du pylône

La vitesse du vent augmente avec l’altitude. De ce fait, la force du vent en haut d’une éolienne sera plus importante qu’en bas du rotor. Dans le cas d’une éolienne à une ou deux pales, la variation de la force sur le moyeu est alors importante car lorsqu’une pale est au plus haut (et donc produit le plus), l’autre pale est au plus bas (et produit le moins), obligeant alors la mise en place de systèmes spécifiques. En revanche, l’installation de trois pales permet une compensation de ces différences et une moindre variation de puissance à chaque rotation du rotor.

Éolienne de pompage pour puiser de l'eau.

Les hélices multipales offrent un couple de démarrage important, souvent utilisées sur les éoliennes de pompage, le couple de démarrage est proportionnel au nombre de pale utilisé et au diamètre de l'hélice. Le rendement des aéromoteurs multipales par rapport à la limite de Betz est faible due à la faible vitesse en bout de pale et sont peu efficaces par vents forts.

• Grande frequence de rotation permettant d'obtenir un rendement optimal
• Simplicité de la machine plus particulièrement pour le système de régulation
• Légèreté de la machine en particulier pour la taille plus petite du multiplicateur
• Coûts moins importants

• Sensible aux vibrations
• Plus bruyante due à une vitesse en bout de pale plus importante

• Moins sensible aux vibrations
• Couple de démarrage plus important
• Moins bruyante

• Rendement moins bon (fréquence de rotation plus faible)
• Machine plus lourde
• Machine plus complexe, surtout au niveau du système de régulation

• eolienne
• Étude théorique d'une éolienne
• conduite d'un projet éolien